通信系統(tǒng)中濾波器的設(shè)計(jì)

濾波在幾乎所有通信系統(tǒng)中都起著重要作用，因?yàn)橄肼暫褪д鏁?huì)增加信道容量。設(shè)計(jì)一個(gè)僅通過(guò)所需頻率的濾波器相當(dāng)容易。然而，在實(shí)際的物理濾波器實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)濾波器會(huì)損失所需的信號(hào)功率。這種信號(hào)損失對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 噪聲系數(shù)的影響分貝。

更糟糕的是，驅(qū)動(dòng) ADC 的放大器將在濾波器損耗的倍數(shù)處產(chǎn)生失真。例如，如果濾波器有 7dB 的損耗，放大器需要將信號(hào)驅(qū)動(dòng) 7dB。這將導(dǎo)致二階產(chǎn)品的電平高出 7dB;三階產(chǎn)品會(huì)差14dB。其中一些失真產(chǎn)物(尤其是互調(diào))無(wú)法濾除，因此將濾波器損耗保持在最低水平對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

選擇系統(tǒng)組件也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。最小帶寬、吞吐速率和輸入頻率之間的這種關(guān)系說(shuō)明：輸入頻率越高，則要求RC帶寬越高。同樣，吞吐速率越高，則采集時(shí)間越短，從而提高RC帶寬。采集時(shí)間對(duì)所需帶寬的影響最大;如果采集時(shí)間加倍(降低吞吐速率)，所需帶寬將減半。表 1 顯示了一些 ADC，以及它們的輸入規(guī)格和對(duì) ADC 和典型 2Vpp 放大器輸出信號(hào)之間可接受損耗量的估計(jì)。表中顯示的“允許濾波器損耗”是一個(gè)任意規(guī)格，但它有助于選擇理想的濾波器拓?fù)洹?

通常很難找到與模擬輸入范圍一致，但又具有適當(dāng)輸入數(shù)量、所需尺寸和正確采樣速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。特別是對(duì)于處理寬電壓擺幅的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，人們擔(dān)心縮小輸入信號(hào)以驅(qū)動(dòng)ADC的滿量程范圍會(huì)顯著降低信噪比(SNR)。本應(yīng)用筆記討論了影響這種SNR損耗的因素，如何量化，更重要的是，如何將其最小化。

使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)典型的誤解是，縮小輸入信號(hào)以驅(qū)動(dòng)ADC的滿量程范圍會(huì)顯著降低信噪比(SNR)。對(duì)于使用寬電壓擺幅的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤其值得關(guān)注。使問(wèn)題更加復(fù)雜的是，與高壓電源相比，用于低壓電源(5V或更低)的ADC產(chǎn)品范圍也廣泛得多。更高的電源通常會(huì)導(dǎo)致更高的功耗和電路板復(fù)雜性，例如需要更多的去耦電容。本應(yīng)用筆記討論了影響縮放引入的SNR損耗的因素，如何量化，更重要的是，如何將其最小化。

來(lái)自傳感器或系統(tǒng)的許多信號(hào)是高壓和雙極性的;例如±10V被廣泛使用。但是，有一些簡(jiǎn)單的方法可以通過(guò)ADC驅(qū)動(dòng)該信號(hào)，并且可以使用集成的高壓ADC解決方案來(lái)處理如此大的滿量程輸入而不會(huì)損失SNR。這些解決方案通常需要額外的高壓電源來(lái)適應(yīng)輸入范圍并消耗相當(dāng)大的功率(圖 1)。這些高壓ADC還縮小了可用信號(hào)調(diào)理(運(yùn)放)解決方案的范圍。如果需要通過(guò)高壓和低壓輸入的組合對(duì)信號(hào)進(jìn)行多路復(fù)用，則實(shí)施成本可能會(huì)變得相當(dāng)昂貴(圖 2)。

圖1.MX574A 高壓 ADC 以更高的功耗為代價(jià)容納大輸入信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)這種解決方案，通常需要±15V和+5V電源。

圖2.多路復(fù)用雙極性高壓ADC系統(tǒng)。

您還可以使用輸入放大器執(zhí)行信號(hào)縮放，以驅(qū)動(dòng)低壓ADC的整個(gè)輸入范圍。該信號(hào)調(diào)理電路可以連接到單個(gè)多路復(fù)用輸入(見(jiàn)圖3)，因此所有信號(hào)都覆蓋ADC的范圍。

圖3.高壓多路復(fù)用系統(tǒng)，采用單路MAX11100低壓ADC。

當(dāng)放大器用于執(zhí)行信號(hào)電壓調(diào)節(jié)時(shí)，噪聲被回饋到放大器的輸入端。目前有兩個(gè)主要噪聲源：放大器本身的輸入?yún)⒖荚肼暫虯DC的按比例縮小的輸入?yún)⒖荚肼?。這兩個(gè)噪聲源以二次方式組合在一起。此外，放大器的噪聲由ADC的輸入帶寬以及放大器和ADC輸入之間的抗混疊濾波器濾除。參見(jiàn)圖 4。

圖4.縮放放大器引入噪聲，但噪聲由ADC的RC和輸入網(wǎng)絡(luò)濾波。

濾波在幾乎所有通信系統(tǒng)中都扮演著重要的角色，因?yàn)槿コ肼暫褪д鏁?huì)增加信道容量。設(shè)計(jì)一個(gè)只通過(guò)所需頻率的濾波器是相當(dāng)容易的。然而，在實(shí)際的物理濾波器實(shí)現(xiàn)中，通過(guò)濾波器會(huì)損失所需的信號(hào)功率。這種信號(hào)損失會(huì)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 噪聲系數(shù)貢獻(xiàn)分貝。

更糟糕的是，驅(qū)動(dòng) ADC 的放大器會(huì)在濾波器損耗的倍數(shù)處產(chǎn)生失真。例如，如果濾波器有 7dB 的損耗，則放大器需要將信號(hào)驅(qū)動(dòng) 7dB。這將導(dǎo)致二階產(chǎn)品的電平高出 7dB;三階產(chǎn)品會(huì)差14dB。其中一些失真產(chǎn)物(尤其是互調(diào))無(wú)法被濾除，因此將濾波器損耗保持在最低水平對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

圖 1：典型信號(hào)鏈

選擇系統(tǒng)組件也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。表 1 顯示了一些 ADC，以及它們的輸入規(guī)格以及 ADC 與典型 2Vpp 放大器輸出信號(hào)之間可接受的損耗量的估計(jì)值。表中顯示的“允許濾波器損耗”是一個(gè)任意規(guī)格，但它有助于選擇理想的濾波器拓?fù)洹?

表1 ：ADC 輸入?yún)?shù)

過(guò)濾器損失的來(lái)源

有兩種類(lèi)型的濾波器損耗：與濾波器組件直接相關(guān)的損耗和與將濾波器集成到系統(tǒng)中相關(guān)的損耗。濾波器元件損耗幾乎都是由寄生電阻造成的。為了減少元件損耗，請(qǐng)盡量減少濾波器元件的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。

雖然濾波器組件在理想情況下沒(méi)有損耗，但與將濾波器集成到系統(tǒng)相關(guān)的損耗更為復(fù)雜。濾波器設(shè)計(jì)為具有輸入和輸出阻抗，這通常需要電阻器來(lái)提供寬帶阻抗匹配，如圖 1 所示。這些匹配電阻器對(duì)系統(tǒng)電壓增益造成 6dB 的損耗。

參考測(cè)量是另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。雖然 RF 系統(tǒng)通常圍繞功率水平設(shè)計(jì)，但幾乎 100% 的可用 ADC 采樣電壓而不是功率。出于這個(gè)原因，ADC 驅(qū)動(dòng)放大器和 ADC 之間的損耗通常以分貝伏特而不是分貝功率來(lái)指定。這可能會(huì)令人困惑，但它很重要——因?yàn)樗?ADC 測(cè)量中顯示的電壓損失。請(qǐng)注意，3dB 的功率損失相當(dāng)于 6dB 的電壓損失。

阻抗變換

由于 ADC 采樣的是電壓而不是功率，因此可以將濾波器用作電壓增益電路。這是可能的，因?yàn)殡妷汉妥杩箤?duì)于給定的功率水平是成比例的。圖 2 所示的原理圖給出了一個(gè)示例，該示例使用低阻抗輸入和高阻抗輸出，通過(guò)使用濾波器提高電壓來(lái)降低整體損耗。圖 3 顯示了結(jié)果。電壓損耗下降2.5dB。這種方法在 ADC 輸入阻抗為 200Ω 或更高時(shí)效果最佳。查看表 1，該方法適用于我們的 16 位、1-GSPS、雙通道 ADS54J60 和 16 位、370-MSPS、雙通道 ADC16DX370。

圖 2：具有不同阻抗比的濾波器

圖 3：不同阻抗比的濾波器響應(yīng)